BAHAN AJAR

 INSTRUMENTASI ELEKTRONIS

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

  

SENSOR DAN TRANSDUSER

Bab I

Pendahuluan

Dalam kaitannya dengan sistem instrumentasi elektronis, Sensor dan transduser pada dasarnya dapat dipandang sebagai perangkat atau device yang berfungsi mengubah suatu besaran fisik menjadi besaran listrik, sehingga keluarannya dapat diolah dengan rangkaian listrik atau sistem digital (lihat Gambar 1.1). Dewasa ini, hampir seluruh peralatan modern memiliki sensor di dalamnya.

Gambar 1.1. Blok fungsional Sensor/Transduser

Terkait dengan perkembangan teknologi yang sangat cepat, pada saat ini, banyak sensor telah dipabrikasi dengan ukuran sangat kecil sampai orde nanometer sehingga menjadikan sensor sangat mudah digunakan dan dihemat energinya. Gambar 1.2 berikut memperlihatkan salah satu contoh sensor MEMS Gyroscope dalam ukuran satuan mm.

Gambar 1.2. MEMS Gyroscope

Berdasarkan variabel yang diindranya, sensor dikatagorikan kedalam dua jenis : sensor Fisika dan sensor Kimia. Sensor Fisika merupakan jenis sensor yang mendeteksi suatu besaran berdasarkan hukum-hukum fisika, yaitu seperti sensor cahaya, suara, gaya, ke-cepatan, percepatan, maupun sensor suhu. Sedangkan jenis sensor kimia merupakan sen-sor yang mendeteksi jumlah suatu zar kimia dengan jalan mengubah besaran kimia men-

jadi besaran listrik dimana di dalamnya dilibatkan beberapa reaksi kimia, seperti misal-nya pada sensor pH, sensor oksigen, sensor ledakan, serta sensor gas. Gambar 1.3 dan 1.4 dibawah berturut-turut memperlihatkan salah satu contoh sensor besaran fisika dan sensor besaran kimia

Gambar 1.3. Rangkaian komponen Sensor Thermocople (Fisika)

Gambar 1.4. Sensor Kadar Co2 (Kimia)

Sensor digunakan dalam kehidupan sehari-hari, dimana aplikasinya mencakup berbagai bidang, yaitu seperti: automobile, mesin, kedokteran, indistri, robot, maupun aerospace.

Dalam lingkungan sistem kontrol dan robotika, sensor memberi fungsi seperti layaknya mata, pendengaran, hidung, maupun lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroller sebagai otaknya.

Berikut adalah beberapa jenis sensor yang dapat dijumpai di lapangan 1.1. Sensor proximity

Sensor proximity merupakan sensor atau saklar yang dapat mendeteksi adanya target jenis logam dengan tanpa adanya kontak fisik. Biasanya sensor ini tediri dari alat elektronis solid-state yang terbungkus rapat untuk melindungi dari pengaruh getaran, cairan, kimiawi, dan korosif yang berlebihan. Sensor proximity dapat diaplikasikan pada kondisi penginderaan pada objek yang dianggap terlalu kecil atau lunak untuk menggerakkan suatu mekanis saklar.

1.2 Sensor Magnet

Sensor Magnet atau disebut juga relai buluh, adalah alat yang akan terpengaruh medan magnet dan akan memberikan perubahan kondisi pada keluaran. Seperti layaknya saklar dua kondisi (on/off) yang digerakkan oleh adanya medan magnet di sekitarnya. Biasanya sensor ini dikemas dalam bentuk kemasan yang hampa dan bebas dari debu, kelembapan, asap ataupun uap.

1.3. Sensor Sinar

Sensor sinar terdiri dari 3 kategori. Fotovoltaic atau sel solar adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik, dengan adanya penyinaran cahaya akan menyebabkan pergerakan elektron dan menghasilkan tegangan. Demikian pula dengan Fotokonduktif (fotoresistif) yang akan memberikan perubahan tahanan (resistansi) pada sel-selnya, semakin tinggi intensitas cahaya yang terima, maka akan semakin kecil pula nilai tahanannya. Sedangkan Fotolistrik adalah sensor yang berprinsip kerja berdasarkan pantulan karena perubahan posisi/jarak suatu sumber sinar (inframerah atau laser) ataupun target pemantulnya, yang terdiri dari pasangan sumber cahaya dan penerima.

1.4. Sensor Ultrasonik

Sensor ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara, dimana sensor ini menghasilkan gelombang suara yang kemudian menangkapnya kembali dengan

perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek yang dapat diindera diantaranya adalah: objek padat, cair, butiran maupun tekstil.

1.5. Sensor Tekanan

Sensor tekanan - sensor ini memiliki transduser yang mengukur ketegangan kawat, dimana mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Dasar penginderaannya pada perubahan tahanan pengantar (transduser) yang berubah akibat perubahan panjang dan luas penampangnya.

Strain gage adalah sebuah contoh transduser pasif yang mengubah pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan. Sensitivitas sebuah strain gage dijelaskan dengan suatu karakteristik yang disebut factor gage (factor gage), K, yang didefinisikan sebagai perubahan satuan tahanan dibagi dengan perubahan satuan panjang.

Perubahan tahanan R pada sebuah konduktor yang penjangnya l dapat dihitung dengan menggunakan persamaan bagi tahanan dari sebuah konduktor yang penampangnya serba sama, yaitu:

tarikan (tension) terhadap konduktor menyebabkan pertambahan panjang l dan pengurangan secara bersamaan pada diameter d.

1.6. Sensor Kecepatan (RPM)

Proses penginderaan sensor kecepatan merupakan proses kebalikan dari suatu motor, dimana suatu poros/object yang berputar pada suatui generator akan menghasilkan suatu tegangan yang sebanding dengan kecepatan putaran object. Kecepatan putar sering pula diukur dengan menggunakan sensor yang mengindera pulsa magnetis (induksi) yang timbul saat medan magnetis terjadi.

1.7. Sensor Penyandi (Encoder)

Sensor Penyandi (Encoder) digunakan untuk mengubah gerakan linear atau putaran menjadi sinyal digital, dimana sensor putaran memonitor gerakan putar dari suatu alat. Sensor ini biasanya terdiri dari 2 lapis jenis penyandi, yaitu; Pertama, Penyandi rotari tambahan (yang mentransmisikan jumlah tertentu dari pulsa untuk masing-masing putaran) yang akan membangkitkan gelombang kotak pada objek yang diputar. Kedua, Penyandi absolut (yang memperlengkapi kode binary tertentu untuk masing-masing posisi sudut) mempunyai cara kerja sang sama dengan perkecualian, lebih banyak atau lebih rapat pulsa gelombang kotak yang dihasilkan sehingga membentuk suatu

Pengkodean dalam susunan tertentu.

1.8. Sensor Suhu

Terdapat 4 jenis utama sensor suhu yang umum digunakan, yaitu thermocouple (T/C)-lihat gambar 1.6, resistance temperature detector (RTD), termistor dan IC sensor. Thermocouple pada intinya terdiri dari sepasang transduser panas dan dingin yang disambungkan dan dilebur bersama, dimana terdapat perbedaan yang timbul antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding. Resistance Temperature Detector (RTD) memiliki prinsip dasar pada tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dengan tingkat konsisten/kestabilan yang tinggi pada pendeteksian tahanan. Platina adalah bahan yang sering digunakan karena memiliki tahanan suhu, kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas. Termistor adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif, karena saat suhu meningkat maka tahanan menurun atau sebaliknya. Jenis ini sangat peka dengan perubahan tahan 5% per C sehingga mampu mendeteksi perubahan suhu yang kecil. Sedangkan IC Sensor adalah sensor suhu dengan rangkaian terpadu yang menggunakan chipsilikon untuk kelemahan penginderanya. mempunyai konfigurasi output tegangan dan arus yang sangat linear.

JTC merupakan sensor yang mengubah besaran suhu menjadi tegangan, dimana sensor ini dibuat dari sambungan dua bahan metallic yang berlainan jenis. Sambungan ini dikomposisikan campuran kimia tertentu, sehingga dihasilkan beda potensial antar sambungan yang akan berubah terhadap suhu yang dideteksi

Gambar 1.6. Karakteristik Beberapa Jenis Thermocouple J-TC Thermocouple

NTC (Negative Temperature Coefficient)

Lain halnya dengan JTC, NTC merupakan sensor yang mengubah besaran suhu menjadi hambatan. NTC dibuat dari campuran bahan semikonduktor yang dapat menghasilkan hambatan intrinsik yang akan berubah terhadap temperatur.

Platinum Pt 100

Platinum Pt 100 pada plant kontrol suhu memiliki fungsi yang hampir sama dengan sensor NTC, dimana letak perbedaannya adalah pada bahan pembuatan sensor. Platinum Pt 100 dibuat dari platinum dengan resistansi nominal 100Ω pada suhu 0 ^oC.